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一種基于光柵的軸對稱偏振諧振腔鏡的制作方法

文檔序號:6997236閱讀:272來源:國知局
專利名稱:一種基于光柵的軸對稱偏振諧振腔鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于激光器件領(lǐng)域,涉及到諧振腔鏡,具體涉及一種基于光柵的軸對稱偏振諧振腔鏡。
背景技術(shù)
軸對稱偏振光是一種在光束橫截面內(nèi)除光束中心外各點(diǎn)均存在偏振方向與徑向成相同角度的偏振光束。當(dāng)二者夾角等于90°時(shí),稱為環(huán)向偏振光(如圖Ι-a所示)。當(dāng)二者夾角等于0°時(shí),稱為徑向偏振光(如圖l_b所示),圖1中的箭頭指向?yàn)殡娛噶糠较颉?由于軸對稱偏振光的特殊偏振特性,在很多領(lǐng)域中表現(xiàn)出誘人的應(yīng)用前景。環(huán)向偏振光可以應(yīng)用于工業(yè)激光打孔,其加工的孔與圓偏振光加工的孔相比,具有孔的深度大、孔徑小、錐度小、熱影響區(qū)小等特點(diǎn)。到目前為止,徑向偏振光的應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛。在科學(xué)研究領(lǐng)域,徑向偏振光在強(qiáng)聚焦下,焦點(diǎn)位置將出現(xiàn)一個(gè)很強(qiáng)的縱向電場,可以用于對帶電粒子加速。徑向偏振光也可以作為“光鑷子”實(shí)現(xiàn)對粒子捕獲。徑向偏振光還可以用于近場成像,提高顯微鏡的分辨率。 在工業(yè)加工領(lǐng)域,徑向偏振光用于切割,相比于圓偏振光切割效率可以提高2倍左右。目前,軸對稱偏振光的產(chǎn)生分為被動和主動兩種方式。被動的方式主要采用波片, 偏振片等元件對線偏振光作旋轉(zhuǎn)疊加,或使用一對偏振正交的TEMtll光束相干疊加得到。主動方式一般利用軸對稱的雙折射元件或利用布儒斯特錐鏡等方法。申請?zhí)?00820165973. 0公開了《一種實(shí)現(xiàn)線偏振光轉(zhuǎn)換為徑向偏振光的裝置》, 該方法采用半波片、四分之一波片、雙折射晶體、石英偏振旋轉(zhuǎn)器等通過有序排列將線偏振光轉(zhuǎn)換為徑向偏振光。該方法采用的光學(xué)器件多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,并且對波片和雙折射元件的光軸之間的相對位置要求嚴(yán)格,調(diào)整不方便,轉(zhuǎn)換效率也不高。申請?zhí)?00910051101. 0公開了一種《輸出徑向偏振光束的激光器》,這種方法以布儒斯特軸錐鏡作為腔內(nèi)偏振元件產(chǎn)生徑向偏振光。由于插入布儒斯特軸錐鏡到腔內(nèi),增加了諧振腔的損耗。而且布儒斯特軸錐鏡的制造和調(diào)整精度要求極高,限制了徑向偏振光的輸出功率和偏振度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述技術(shù)的不足,提出了一種基于光柵的軸對稱偏振諧振腔鏡,該諧振腔鏡偏振選擇度大,反射率高,軸對稱性好,熱穩(wěn)定性優(yōu)良,可以得到高功率、高偏振度的軸對稱偏振光。本發(fā)明提供的一種基于光柵的軸對稱偏振諧振腔鏡,其特征在于,它包括光柵、多層介質(zhì)膜和基底;光柵的刻線呈圓環(huán)狀,并分布均勻,且與基底同心,光柵的刻線剖面為矩形,光柵鏡刻蝕區(qū)的尺寸滿足關(guān)系Φ2 = $「2*1^,其中,Ct1為基底直徑,Φ2為光柵刻蝕區(qū)圓環(huán)的直徑,L為基底上未鍍膜和未刻蝕光柵的圓環(huán)寬度;多層介質(zhì)膜由高低折射率材料交替層疊而成;多層介質(zhì)膜位于光柵和基底之間,光柵層厚度小于多層介質(zhì)膜總厚度。本發(fā)明通過對光柵參數(shù),包括光柵的周期、刻槽深度、占空比等參數(shù)的調(diào)節(jié),可以
3設(shè)計(jì)出過光柵鏡任一直徑的入射面內(nèi)對正入射的P偏振分量具有高反射率且高于正入射的S偏振分量反射率10%以上的徑向偏振光柵鏡,或是對正入射的S偏振分量具有高反射率且高于正入射的P偏振分量反射率10%以上的環(huán)向偏振光柵鏡。這樣就可以得到高純度的徑向或環(huán)向軸對稱偏振光。該腔鏡結(jié)構(gòu)簡單、對稱性好、熱穩(wěn)定性能和機(jī)械性能優(yōu)良,可以作為諧振腔的尾鏡,廣泛應(yīng)用于氣體、固體激光器,以產(chǎn)生高功率、高純度的軸對稱偏振光。具體而言,本發(fā)明具有以下技術(shù)特點(diǎn)(1)所述的基底具有熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn),既可以是平面鏡,也可以是凹面鏡。高熱穩(wěn)定性的基底可以滿足高功率激光器的使用要求。( 所述的多層介質(zhì)膜位于基底之上,是由高低折射率材料交替層疊而成。它具有低吸收,高損傷閾值等特點(diǎn),可以增強(qiáng)腔鏡的反射率達(dá)到激光諧振腔尾鏡的要求。(3)光柵位于多層介質(zhì)膜之上,其刻線呈圓環(huán)狀,并分布均勻,而且與腔鏡同心。光柵刻線剖面為矩形。由于過光柵鏡任一直徑的入射面內(nèi),光柵對于一對正交的偏振態(tài),P偏振分量和S偏振分量具有明顯的反射率差異。因此,光柵具有很強(qiáng)的偏振選擇特性。光柵的圓形刻蝕結(jié)構(gòu),可以使徑向或環(huán)向軸對稱偏振光體現(xiàn)出完美的圓對稱性。高的偏振選擇特性,有利于得到高純度的徑向或環(huán)向軸對稱偏振光。


圖1為兩類軸對稱偏振光TEM_模的電矢量結(jié)構(gòu)圖;圖2為本發(fā)明實(shí)施例左視結(jié)構(gòu)示意圖;圖3為本發(fā)明實(shí)施例剖面結(jié)構(gòu)示意圖;圖4為本發(fā)明實(shí)施例正視結(jié)構(gòu)示意圖;圖5為本發(fā)明實(shí)施例典型結(jié)構(gòu)示意圖;圖6為本發(fā)明實(shí)施例典型結(jié)構(gòu)的反射率與光柵深度之間的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。如圖2所示,本發(fā)明包括光柵1、多層介質(zhì)膜2和基底3。如圖3,4所示,光柵1的刻線呈圓環(huán)狀,并分布均勻,且與腔鏡同心。中心未刻蝕區(qū)的直徑為Φ3,其取值一般小于光柵的三十個(gè)周期。光柵鏡刻蝕區(qū)的尺寸滿足關(guān)系Φ2 = (^-2禮,其中,Ct1為基底直徑,Φ2為光柵刻蝕區(qū)圓環(huán)的直徑。L為基底上未鍍膜和未刻蝕光柵的圓環(huán)寬度。光柵作為偏振選擇器件,僅對徑向軸對稱偏振光或環(huán)向軸對稱偏振光具有較高的反射率,而對與之正交的環(huán)向軸對稱偏振光或徑向軸對稱偏振光具有很低的反射率。圓形光柵刻蝕結(jié)構(gòu),可以使徑向或環(huán)向軸對稱偏振光體現(xiàn)出完美的圓對稱性。高的偏振選擇特性,有利于得到高純度的徑向或環(huán)向軸對稱偏振光。基底3具有熱穩(wěn)定性和機(jī)械特性好的特點(diǎn),既可以是平面鏡,也可以是凹面鏡。高熱穩(wěn)定性的基底可以滿足高功率的使用要求。多層介質(zhì)膜2位于光柵1和基底3之間,光柵層厚度小于多層介質(zhì)膜總厚度。光柵 1的刻線剖面為矩形。多層介質(zhì)膜2的直徑等于光柵刻蝕區(qū)的直徑Φ2。多層介質(zhì)膜2由高低折射率材料交替層疊而成,具有低吸收,高損傷閾值,高反射等特點(diǎn)。因此,多層介質(zhì)膜2可以大大提高腔鏡對光柵選擇出來的徑向或環(huán)向軸對稱偏振光的反射率,使其達(dá)到激光諧振腔尾鏡的要求。對于輸出波長在遠(yuǎn)紅外區(qū)的激光器,高折射率材料一般為鍺、硒化鋅、砷化鎵等半導(dǎo)體材料,既具有對激光吸收率低,又有較大折射率的特點(diǎn)。而低折射率材料一般為四氟化釷,氟化釔等氟化物。同樣,這些材料對激光有低吸收,又有較小折射率。對于輸出波長在近紅外區(qū)的激光器,高折射率材料一般為二氧化鉿,二氧化鈦、二氧化鋯或五氧化二鉭等金屬氧化物材料,既具有對激光吸收率低,又有較大折射率的特點(diǎn)。而低折射率材料一般為對激光低吸收率低的二氧化硅。多層介質(zhì)膜層數(shù)通常在2至21層之間。激光在各介質(zhì)膜層中的光程為波長的四分之一,多層介質(zhì)膜的總厚度由所采用的高、低折射率材料的折射率和設(shè)計(jì)的膜層數(shù)決定。上述技術(shù)方案適用于不同輸出波長、不同各種類的激光器所需的諧振腔鏡,下面以輸出波長為10. 6微米的(X)2激光器為例,進(jìn)一步詳細(xì)地說明上述技術(shù)方案的具體實(shí)現(xiàn)過程。如圖5所示的光柵具體結(jié)構(gòu),對于輸出波長為10. 6微米的(X)2激光器,基底和光柵區(qū)均采用砷化鎵。Ct1為27. 94毫米,Φ2* 22.00毫米,(^為0.20毫米。多層介質(zhì)膜的高折射率材料為硒化鋅,低折射率材料為四氟化釷,多層膜的層數(shù)為5層。光柵的周期Λ 為6微米,光柵脊寬b為3微米,改變光柵的深度d計(jì)算得到兩種偏振光的反射率曲線,如圖6所示。當(dāng)光柵深度d在1. 50微米附近的區(qū)間A內(nèi)(d大于1. 40微米小于1. 75微米) 取值時(shí),正入射的P偏振分量的反射率超過99. 0%,而正入射S偏振分量的反射率均小于 53. M%。同樣,當(dāng)光柵深度d在3. 30微米附近的區(qū)間B內(nèi)(d大于3. 25微米小于4. 25微米)取值時(shí),正入射的P偏振分量的反射率超過99. 0%,而正入射S偏振分量的反射率均小于88. 41%??梢?,在光柵的深度取值在區(qū)域A、B中時(shí),這種光柵鏡結(jié)構(gòu)既具有高的反射率同時(shí)具有優(yōu)良的偏振選擇性,適宜于作為激光諧振腔的尾鏡產(chǎn)生徑向偏振光。因此,在制作光柵的時(shí)候可以在區(qū)域A、B中優(yōu)選光柵的深度,使其一方面達(dá)到尾鏡的要求,另一方面偏振選擇性強(qiáng),并具有較大的制造公差范圍。本發(fā)明不僅局限于上述具體實(shí)施方式
,本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi)容,可以采用其它多種具體實(shí)施方式
實(shí)施本發(fā)明,因此,凡是采用本發(fā)明的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和思路,做一些簡單的變化或更改的設(shè)計(jì),都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1. 一種基于光柵的軸對稱偏振諧振腔鏡,其特征在于,它包括光柵(1)、多層介質(zhì)膜(2)和基底(3);光柵⑴的刻線呈圓職,并分布均勻,且與基底⑶同心,光柵⑴的刻線剖面為·光_骸_ 區(qū)的尺寸滿足縣4l 二 A - 其中,美為基底直徑,疼為光柵刻蝕區(qū)圓環(huán)的直徑,L為基底(3)上未鍍膜和未刻蝕光柵的圓環(huán)寬度;多層介質(zhì)膜(2)由高低折射率材料交替層疊而成;多層介質(zhì)膜(2)位于光柵(1)和基底(3)之間,光柵層厚度小于多層介質(zhì)膜總厚度。
2.根據(jù)權(quán)力要求1所述的一種基于光柵的軸對稱偏振諧振腔鏡,其特征在于基底(3)是平面鏡或凹面鏡。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于光柵的軸對稱偏振諧振腔鏡,它包括光柵、多層介質(zhì)膜和基底;光柵的刻線呈圓環(huán)狀,并分布均勻,且與基底同心,光柵的刻線剖面為矩形,光柵鏡刻蝕區(qū)的尺寸滿足關(guān)系,其中,為基底直徑,為光柵刻蝕區(qū)圓環(huán)的直徑,為基底上未鍍膜和未刻蝕光柵的圓環(huán)寬度;多層介質(zhì)膜是由高低折射率材料交替層疊而成;多層介質(zhì)膜位于光柵和基底之間,光柵層厚度小于多層介質(zhì)膜總厚度。該腔鏡具有對P偏振或S偏振選擇和高反射的特點(diǎn),而且具有圓對稱性??捎糜诩す庵C振腔的尾鏡,得到高偏振度的軸對稱偏振光束。
文檔編號H01S3/101GK102157894SQ20111006758
公開日2011年8月17日 申請日期2011年3月21日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月21日
發(fā)明者李波, 楊揚(yáng), 王又青, 賀昌玉, 趙江 申請人:華中科技大學(xué)
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